馬有絢，李萬志,2，王麗霞，白文蓉，王紫文

(1.青海省氣候中心，青海 西寧 810001；2.青海省防災減災重點實驗室，青海 西寧 810001；3.青海省人工影響天氣辦公室，青海 西寧 810001)

引 言

全球氣候變暖背景下，干旱事件頻發(fā)[1]，且氣候變化對干旱及半干旱地區(qū)影響更加顯著[2-3]。另外干旱是由于長期水汽異常偏少造成的，其發(fā)展具有一定的積累過程，影響區(qū)域較大，屬于一種中長期氣候行為，前期及同期環(huán)流形勢的維持與演變對干旱有十分重要的影響[4]。

青海省處于青藏高原東北部，深居內陸腹地，暖濕氣團不易入侵，為北半球同緯度降水量較少地區(qū)，且時空分布不均，屬我國干旱半干旱氣候區(qū)[5]。干旱是青海省最嚴重的氣象災害之一，發(fā)生頻率高、分布廣、面積大、持續(xù)時間長[6]，對青海工農業(yè)生產和當地人民生活造成嚴重影響[7]，同時它也是長期制約青海省經濟和社會發(fā)展的一個重要因素[8]。近50 a來青海省發(fā)生重旱以上的年份，春、夏、秋季分別占12%、6%和6%，重旱主要發(fā)生在春季[9]。春季(3—5月)是青海省農業(yè)區(qū)大田作物播種、出苗、分蘗的季節(jié)，也是牧區(qū)牧草返青的季節(jié)，春季干旱會對農牧業(yè)造成嚴重影響[10]，且近年來生長季干旱風險突出，時空差異顯著[11]。

研究表明近幾十年來青海省東部農業(yè)區(qū)干旱有緩解趨勢[12]，1980年代中后期柴達木盆地氣候也由暖干向暖濕轉型，全球氣候變暖導致的降水量、冰川融水量、河川徑流量增加和湖泊水位上升、面積擴大及水循環(huán)加快、高空水汽不斷增加和黑碳氣溶膠濃度增加等是造成青海部分地區(qū)氣候由暖干向暖濕轉型的重要原因[11，13]。大氣環(huán)流異常是導致各地干旱少雨的主要原因，西北干旱化趨勢的變化與副熱帶西風急流位置的變化有顯著關系[14]。

本文主要研究青海省春季干旱發(fā)生的基本氣候特征和變化規(guī)律，同時重點分析青海省不同地區(qū)春季及前期環(huán)流異常特征，以期對青海省春季旱澇異常特征及其環(huán)流形勢有更清楚的認識，以便為干旱預測預警提供新的思路，從而為合理利用水資源、預防和減輕農業(yè)干旱提供參考和理論依據。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

青海省地處青藏高原，深居內陸，遠離海洋，屬于高原大陸性氣候。由于區(qū)域氣候差異明顯，因而將其分為4個功能區(qū)[15]：東部農業(yè)區(qū)溫濕適宜，適合農作物生長；青南牧區(qū)氣溫低，降水多，適宜高寒牧草生長；柴達木盆地降水少，日照時數多，以荒漠戈壁為主；環(huán)青海湖地區(qū)為農牧交錯地區(qū)。圖1為青海省不同功能區(qū)及氣象站點分布，由于柴達木盆地為常年干旱區(qū)，因而處理過程中剔除相關站點，僅對盆地以外地區(qū)進行分析。

圖1 青海省不同功能區(qū)及氣象站點分布Fig.1 The distribution of different climatic functional zones and meteorological stations in Qinghai Province

1.2 數據來源

所用資料包括：NCEP/NCAR提供的1981—2017年春季(3—5月)及前冬(前一年12月至當年2月)月平均500 hPa高度場、200 hPa緯向風場再分析資料[16]，空間分辨率為2.5°×2.5°；青海省氣象信息中心提供的青海省非常年干旱區(qū)(東部農業(yè)區(qū)、環(huán)青海湖地區(qū)及青南牧區(qū))39站(圖1)1981—2017年春季逐月降水資料，用以計算各站點春季標準化降水指數(SPI)。

1.3 研究方法

采用線性趨勢法、Mann-Kendall突變檢驗、滑動平均和相關分析等統(tǒng)計方法。由于干旱在不同地區(qū)具有不同特征，表征干旱的指標也必然存在區(qū)域適應性問題[17-18]，李紅梅等[19]研究發(fā)現，SPI對青海省不同等級干旱的監(jiān)測能力最強，并且對春、夏季干旱監(jiān)測效果最優(yōu)，因此本文采用SPI來表征青海省春季氣象干旱。

1.3.1 標準化降水指數(SPI)

SPI是基于降水的氣象干旱指數，可以反映實測降水量相對于降水概率分布函數的標準偏差。SPI根據Gamma分布概率來描述降水量的變化，將偏態(tài)概率分布的降水量進行正態(tài)標準化處理，這樣有利于消除降水量的時空分布差異[4]，最終用標準化降水累積頻率分布來劃分干旱等級，具體計算方法詳見文獻[20]，表1列出基于SPI的干旱等級劃分[21]。

表1 基于標準化降水指數(SPI)的干旱等級劃分Tab.1 Classification of drought grade based on standardized precipitation index (SPI)

1.3.2 干旱評估指標

(1)干旱頻率

干旱頻率(P)是用來評價某站有資料年份內發(fā)生干旱的頻繁程度，計算公式如下：

(1)

式中：N為某站有氣象資料的總年數；n為該站發(fā)生干旱的年數。按不同程度的干旱發(fā)生年數計算不同程度干旱頻率。

(2)干旱站次比

干旱站次比(R)為區(qū)域內干旱發(fā)生站數占全部站數的比例，用來評價干旱影響范圍的大小，劃分規(guī)則如表2。具體公式如下：

(2)

式中：M為研究區(qū)域內總的氣象站數；m為發(fā)生干旱的站數[22]。

表2 干旱影響范圍劃分標準Tab.2 The classification standard of drought area

2 結果分析

2.1 空間分布

圖2為青海省1981—2017年春季不同等級干旱頻率空間分布。可以看出，青海省輕度以上干旱頻率為18.9%～40.5%，其中低值區(qū)位于海南州南部、黃南州及海北州北部，干旱頻率低于25.0%；高值區(qū)位于東部農業(yè)區(qū)大部、果洛州西部、玉樹州南部以及沱沱河，干旱頻率高于32.0%。中度以上干旱頻率為8.1%～24.3%，高值區(qū)位于東部農業(yè)區(qū)大部和唐古拉地區(qū)，干旱頻率超過16.0%；低值區(qū)位于黃南州、海北州大部、海南州東部、果洛州東部和玉樹州大部，干旱頻率小于13.0%。重旱以上發(fā)生頻率為2.7%～13.5%，高值區(qū)位于東部農業(yè)區(qū)和玉樹州曲麻萊縣，干旱頻率超過10.0%。特旱發(fā)生頻率低于8.1%，高值區(qū)位于海南州、黃南州大部，而青南中部特旱發(fā)生頻率較低。

2.2 時間演變

圖3為1981—2017年春季青海省干旱站次比年際變化。可以看出，青海省春季干旱站次比總體呈下降趨勢，平均每10 a下降4.9%。1981—2017年，發(fā)生全域性干旱(干旱站次比超過50%)的年份有7 a，其中有5 a發(fā)生在1990年代，1991—2000年干旱站次比平均值為42.3%，而1981—1990年和2001—2017年干旱站次比平均值分別為28.2%、21.6%。由此可見，1990年代發(fā)生全域性干旱的風險明顯高于1980年代和2000年以后。

通過青海省全區(qū)及東部農業(yè)區(qū)、環(huán)青海湖地區(qū)、青南牧區(qū)春季SPI的年際變化(圖略)可以看出，不論是全省平均，還是各功能區(qū)，SPI總體呈上升趨勢，即青海省總體呈現增濕特征，這與姚瑤等[12]、戴升等[13]的研究結論基本一致。但各地區(qū)的增濕幅度存在明顯差異，其中增濕幅度最明顯的區(qū)域為青南牧區(qū)，SPI線性傾向率為0.23·(10 a)-1。

圖2 1981—2017年春季青海省不同等級干旱發(fā)生頻率空間分布(單位：%)Fig.2 The frequency distribution of drought with different grades in spring from 1981 to 2017 in Qinghai Province (Unit: %)

圖3 1981—2017年春季青海省干旱站次比年際變化Fig.3 The annual variation of drought stations proportion in spring from 1981 to 2017 in Qinghai Province

在Mann-Kendall突變檢驗中，當UF或UB值大于(小于)0時，表明序列呈上升(下降)趨勢，且當UF或UB曲線超過信度線時，則表明序列有顯著上升(下降)趨勢；若UF和UB曲線相交于信度線之間，則該點為突變點[23]。圖4為1981—2017年春季青海省不同功能區(qū)SPI指數的Mann-Kendall突變檢驗。可以看出，青海省春季SPI指數在1990年和2010年左右發(fā)生突變。SPI在1980年代呈上升趨勢，1990年代至2000年代初期，UF值變化趨勢為“正-負-正”，其間僅有個別時段UF曲線超過信度線，結合SPI序列分析，說明青海省春季SPI指數在該時段呈波動趨勢，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而2010年以后，SPI指數序列又呈上升趨勢。東部農業(yè)區(qū)春季SPI指數在1983—1994年呈上升趨勢；UF和UB曲線1989年以來反復交叉，表明1989—2017年東部農業(yè)區(qū)春季SPI指數呈現不穩(wěn)定變化。環(huán)青海湖地區(qū)UF和UB曲線相交于1989年，1989年以前，UF值大于0，表明該地區(qū)春季SPI指數在1981—1989年呈上升趨勢，1994—2015年UF值呈波動變化，且基本為負值，表明該指數在1994—2015年有下降趨勢。青南牧區(qū)春季SPI序列在1981—2011年存在下降趨勢，2011年以后呈明顯上升趨勢，突變年份為2011年。

3 環(huán)流背景異常特征

干旱的發(fā)展具有一定的積累過程，屬于一種中長期的氣候行為。前期及同期環(huán)流形勢的維持與演變對干旱有重要影響。通過分析青海省春季旱澇異常對應的環(huán)流背景場特征，將有利于更加清楚地認識青海省春季干旱發(fā)生的環(huán)流成因，能夠為干旱預測預警提供新思路[24-28]。

圖4 1981—2017年春季青海省不同功能區(qū)SPI指數的Mann-Kendall突變檢驗Fig.4 The Mann-Kendall test of SPI over different climatic functional zones in spring from 1981 to 2017 in Qinghai Province

3.1 同期大氣環(huán)流異常

圖5為1981—2017年春季500 hPa高度場分別與全省、東部農業(yè)區(qū)、環(huán)青海湖地區(qū)和青南牧區(qū)平均SPI的相關系數分布?？梢钥吹?，春季全省SPI與500 hPa高度場的相關分布與東部農業(yè)區(qū)、環(huán)青海湖地區(qū)十分相似，在歐洲西部、東亞及低緯度阿拉伯海附近為顯著正相關，而烏拉爾山地區(qū)為負相關。即當東部農業(yè)區(qū)和環(huán)青海湖地區(qū)SPI指數偏大時(偏澇)，歐亞中高緯地區(qū)自西向東呈“正、負、正”分布，極渦偏強、東亞大槽偏淺，這種分布說明歐亞中高緯地區(qū)容易出現烏拉爾山和鄂霍茨克槽(或低壓)以及貝加爾湖東部脊(或高壓)；低緯度地區(qū)，阿拉伯海附近高度場容易偏高，青藏高原位勢高度場相對偏低，中國東部高度場明顯高于高原地區(qū)，形成“西低東高”的配置。這種配置容易使北方冷空氣沿偏西北路徑進入高原地區(qū)，并與南方暖濕空氣配合，產生大量降水，形成全省春季偏澇的局面，偏旱時則相反。

青南牧區(qū)春季SPI與500 hPa高度場的相關分布與其他兩個功能區(qū)存在一定差異，中高緯地區(qū)，烏拉爾山附近負相關區(qū)域較東部農業(yè)區(qū)和環(huán)青海湖地區(qū)偏小，西歐及東亞的正相關區(qū)位置也有所偏移；低緯度阿拉伯海附近的正相關區(qū)不明顯，其北部地區(qū)為弱負相關區(qū)。當青南牧區(qū)SPI指數偏大時(偏澇)，歐亞中高緯地區(qū)自西向東同樣呈“正、負、正”分布，但極渦偏弱，歐亞中高緯地區(qū)容易出現烏拉爾山和貝加爾湖東部槽(或低壓)、巴爾喀什湖至貝加爾湖地區(qū)和鄂霍茨克脊(或高壓)；低緯度地區(qū)，阿拉伯海附近高度場容易偏低，青藏高原及其以南地區(qū)位勢高度場相對偏低，中國東部高度場明顯高于高原地區(qū)，同樣形成“西低東高”的配置。

綜上所述，影響青海北部地區(qū)(東部農業(yè)區(qū)和環(huán)青海湖地區(qū))和南部地區(qū)春季旱澇分布的500 hPa環(huán)流系統(tǒng)和配置總體一致，偏澇(旱)年歐亞中高緯總體呈“正、負、正”(“負、正、負”)分布，中國大部形成西低東高(西高東低)的配置；區(qū)別在于，中高緯度極渦強弱對青海北部旱澇分布的影響較為明顯，而中低緯度西亞槽對青海南部旱澇形勢的影響較大。

圖5 1981—2017年春季青海省不同功能區(qū)SPI與500 hPa高度場相關系數分布(黑點區(qū)表示置信度水平超過95%，下同)(a)全省，(b)東部農業(yè)區(qū)，(c)環(huán)青海湖地區(qū)，(d)青南牧區(qū)Fig.5 The distribution of correlation coefficients between 500 hPa geopotential height and SPI over different areas in spring from 1981 to 2017 in Qinghai Province(The black dots indicate statistical significance exceeding the 95% confidence level, the same as below)(a) the whole province, (b) the eastern agricultural area,(c) the surrounding Qinghai Lake area, (d) the pastoral area in southern Qinghai

3.2 前期副熱帶高空急流的影響

西北地區(qū)春旱與前一年冬季副熱帶西風急流的位置存在顯著相關[14]，圖6為1981—2017年春季青海省不同功能區(qū)SPI與前冬200 hPa緯向風場的相關系數分布，用以分析前冬副熱帶西風急流位置對青海省春季旱澇分布的影響。可以看出，青海省春季SPI指數與副熱帶西風急流的兩個中心(位于阿拉伯半島附近的中東急流和日本島附近的東亞急流)及其入口區(qū)和出口區(qū)存在顯著的相關關系。全省來看，在中東急流出口區(qū)北側和東亞急流中心北側正相關顯著；東部農業(yè)區(qū)在中東急流出口區(qū)北側和東亞急流中心南側正相關顯著，而在東亞急流中心偏北處負相關顯著；環(huán)青海湖地區(qū)在中東急流出口區(qū)北側至東亞急流入口區(qū)北側附近正相關顯著；青南牧區(qū)在東亞急流中心北側正相關顯著，而在東亞急流中心及其南側負相關顯著。

圖6 1981—2017年春季青海省不同功能區(qū)SPI與前冬200 hPa緯向風場相關系數分布(a)全省，(b)東部農業(yè)區(qū)，(c)環(huán)青海湖地區(qū)，(d)青南牧區(qū)Fig.6 The distribution of correlation coefficients between previous winter 200 hPa zonal wind field and SPI in spring over different areas from 1981 to 2017 in Qinghai Province(a) the whole province, (b) the eastern agricultural area,(c) the surrounding Qinghai Lake area, (d) the pastoral area in southern Qinghai

為進一步分析中東急流和東亞急流位置與青海省春季不同功能區(qū)旱澇分布的關系，利用LIANG等[29]和LIN等[30]定義東亞高空急流位置指數的方法，將前一年冬季區(qū)域20°N—30°N、110°E—130°E與區(qū)域40°N—50°N、110°E—130°E 200 hPa平均緯向風相減(南減北)，然后取其標準化值，即為東亞急流指數，以此來反映東亞高空急流的南北移動。東亞急流指數值為正(負)，表明東亞西風急流偏南(北)。采用YANG等[31]定義的中東急流指數，將前一年冬季區(qū)域20°N—30°N、40°E—70°E與區(qū)域30°N—40°N、15°E—45°E 200 hPa平均緯向風相減，取其標準化值，即為中東急流指數。當中東急流指數為正(負)值時，表示中東急流強度偏強(弱)、位置偏東南(西北)[32]。

滑動平均相當于低通濾波器，經過滑動平均后，序列中短于滑動長度的周期大大削弱，顯現出變化趨勢[23]。圖7為1981—2017年青海省各功能區(qū)SPI指數和副熱帶西風急流指數5 a滑動平均的年際變化?？梢钥闯?，青海省春季SPI與前冬副熱帶西風急流(中東急流和東亞急流)總體呈現明顯的負相關關系。從1988年開始，副熱帶西風急流位置整體呈現偏南趨勢，中東急流指數和東亞急流指數為正，尤其是中東急流指數在1990—1992年達最大，其5 a滑動平均指數大于1.0，而與此同時，青海省總體處于相對干旱時段，各區(qū)域SPI均為負值；1999—2003年，負相關關系并不明顯；2003年以后，副熱帶西風急流位置整體呈偏北趨勢，中東急流和東亞急流均為負值，青海省整體處于非旱時段，SPI大于0。全省春季SPI與前期中東急流指數間的相關系數為-0.514，且通過α=0.05的顯著性檢驗；與東亞急流之間的相關性相對較弱，相關系數為-0.332。

分區(qū)域來看，東部農業(yè)區(qū)春季SPI與前期中東急流指數間的相關系數為-0.363，且通過α=0.05的顯著性檢驗，而與東亞急流指數間的負相關性不明顯，相關系數為-0.080；環(huán)青海湖地區(qū)春季SPI與前期副熱帶高空急流的關系與東部農業(yè)區(qū)類似，與中東急流指數的負相關性顯著(相關系數為-0.403)，而與東亞急流指數的相關性不明顯；青南牧區(qū)春季SPI與前期副熱帶高空急流的關系在幾個區(qū)域中最顯著，與中東急流和東亞急流的相關系數分別為-0.443和-0.434，且相關系數均通過α=0.01顯著性檢驗。綜上所述，冬季副熱帶西風急流位置偏南，預示青海省次年春季將會遭遇干旱，尤其是青南牧區(qū)，這種可能性更大。

圖8為1981—2017年春季500 hPa高度場與前冬東亞急流、中東急流指數的相關系數分布。可以看出，東亞急流指數對歐亞500 hPa環(huán)流場影響較高的地區(qū)位于歐洲東北部(正相關，相關系數大于0.3)和土耳其至伊朗地區(qū)(負相關，相關系數小于-0.3)，低緯地區(qū)總體呈顯著的正相關關系；中東急流指數對歐亞500 hPa環(huán)流場影響較高的地區(qū)與東亞急流相比，位于歐洲東北部及其周邊地區(qū)的正相關性更加顯著，且位置偏東，位于土耳其至伊朗地區(qū)的負相關區(qū)面積更大，而低緯地區(qū)的正相關區(qū)面積更小，相關性更低?？傮w上，副熱帶高空急流指數偏南的年份，歐亞中高緯自西向東易呈現“正、負、正”的分布形勢(但正負距平中心位置與青海春季偏澇年明顯存在較大偏差)，東歐地區(qū)自北向南易呈“正、負、正”分布。此種配置不利于北方冷空氣南下，同時也不利于南部水汽輸送(印緬槽偏弱)，青海尤其是青南地區(qū)降水容易偏少，出現干旱形勢。

圖7 1981—2017年春季青海省不同功能區(qū)SPI與前冬副熱帶西風急流指數5 a滑動平均年際變化Fig.7 The annual variation of 5-year moving average of SPI index in spring and upper-level jet stream index in previous winter from 1981 to 2017 in different areas in Qinghai Province

圖8 1981—2017年春季500 hPa高度場與前冬東亞急流(a)、中東急流(b)指數的相關系數分布Fig.8 The distribution of correlation coefficient between 500 hPa geopotential height in spring and East Asia jet stream index (a), Middle East jet stream index (b) in previous winter from 1981 to 2017

4 結 論

(1)春季青海省輕度以上干旱發(fā)生頻率在18.9%～40.5%之間，高值區(qū)位于東部農業(yè)區(qū)大部、果洛州西部、玉樹州南部以及沱沱河(發(fā)生頻率>32.0%)；中度以上干旱發(fā)生頻率在8.1%～24.3%之間，高值區(qū)位于東部農業(yè)區(qū)大部和唐古拉地區(qū)(>16.0%)；重旱以上發(fā)生頻率為2.7%～13.5%；特旱發(fā)生頻率低于8.1%。

(2)青海省春季干旱站次比以4.9%·(10 a)-1的速率下降，1990年代發(fā)生全域性干旱的風險明顯高于1980年代和2000年以后。各功能區(qū)總體呈現增濕特征，其中增濕幅度最明顯的地區(qū)為青南牧區(qū)，SPI線性傾向率為0.23·(10 a)-1。

(3)影響春季青海北部地區(qū)(東部農業(yè)區(qū)和環(huán)青海湖地區(qū))和南部地區(qū)旱澇分布的500 hPa環(huán)流系統(tǒng)和配置總體一致，偏澇年歐亞中高緯總體呈“正、負、正”分布形勢，中國大部形成西低東高的配置(偏澇年相反)；中高緯度極渦強弱對青海北部的影響較為明顯，而中低緯度西亞槽對青海南部的影響較大。

(4)青海省春季干旱指數與前期冬季的副熱帶西風急流位置存在顯著負相關，中東急流指數與青海省各功能區(qū)的相關性較東亞急流更明顯；分區(qū)域來看，前冬副熱帶西風急流指數對青南牧區(qū)春旱指數的影響較大。說明前冬副熱帶西風急流位置若較常年偏南，則次年青海省發(fā)生春旱的可能性很大。前冬副熱帶急流位置偏南，使得春季500 hPa高空，東歐地區(qū)自北向南呈“正、負、正”分布，烏拉爾山附近高壓脊偏強，低緯地區(qū)印緬槽偏弱，脊前干冷西北氣流加之南部水汽輸送較弱，使得青海容易發(fā)生干旱。